Kraftaufnehmer, insbesondere Wägezelle

Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, der sich unter Einwirkung einer zu messenden Kraft oder Last verformt, und mit Sensormitteln zur Erzeugung eines der Verformung entsprechenden Messsignals.

Kraftaufnehmer im Allgemeinen und Wägezellen im Speziellen sind Messumformer, die eine auf sie einwirkende Kraft oder Last in ein elektrisches analoges oder digitales Messsignal umsetzen. Dabei wird ein meist metallischer Federkörper pro- portional zu der aufgebrachten Last oder Kraft elastisch verformt und die daraus resultierende Verformung des Federkörpers oder bestimmter Teile davon mit geeigneten Sensormitteln erfasst. Längenänderungen an Biegeteilen werden üblicherweise mittels Dehnungsmessstreifen erfasst. Alternativ können aus der Verformung resultierende Abstandsänderungen kapazitiv, optisch oder anderweitig erfasst werden. Die Sensormittel, z. B. Dehnungsmessstreifen oder Kondensatorflächen, sind unmittelbar an oder in dem Federkörper angebracht. Soweit sie an Außenflächen des Federkörpers aufgebracht sind, sind sie Umgebungseinflüssen wie Schmutz oder Feuchtigkeit ausgesetzt, wenn sie nicht mit einer Schutzschicht bedeckt sind. Bei z. B. dosenförmigen Federkörpern (Kraftmessdosen) sind die Sensormittel im Inneren des Federkörpers geschützt angeordnet. Es ist auch bekannt, Sensormittel, z. B. Dehnungsmess- streifen, anstatt außen an dem Federkörper, z. B. einem

Biegeteil, in einer Bohrung des Biegeteils oder einer sonstigen Öffnung des Federkörpers unterzubringen und diese zu verschließen .

Die verwendeten Federkörper weisen je nach Anwendungsfall und Größe der zu messenden Kraft oder Last unterschiedliche Bauformen und Abmessungen auf. Die Sensormittel werden dann, wie bereits erwähnt, unmittelbar an bzw. in dem jeweiligen Feder- körper angebracht, was dazu führt, dass letztlich jeder Kraftaufnehmer bzw. jede Wägezelle individuell erstellt, gefertigt, abgeglichen und kalibriert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung und den Abgleich unterschiedlicher Kraftaufnehmer oder Wägezellen zu vereinfachen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen voneinander beanstandeten Teilen des Federkörpers ein Sensormodul in Form eines weiteren Federkörpers formschlüssig angeordnet ist, dessen Federsteifigkeit geringer als die des einen Federkörpers ist und der eine Kapsel für die darin angeordneten und die Verformung des weiteren Feder- körpers unmittelbar erfassenden Sensormittel bildet.

Die Erfindung führt somit zu einem modulartigen Aufbau des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle, wobei die Module, nämlich der die zu messende Kraft oder Last aufnehmende Federkörper (Last- bzw. Kraftaufnahmemodul) und der weitere, die Sensormittel enthaltende Federkörper (Sensormodul) getrennt voneinander gefertigt und kalibriert werden, bevor das Sensormodul in das Last- bzw. Kraftaufnahmemodul eingesetzt wird. Insbesondere können nur wenige unterschiedliche Typen von Sensor- modulen bis hin zu einem einzigen Sensormodul für eine Vielzahl unterschiedlicher Last- bzw. Kraftaufnahmemodule vorgesehen werden, was die Fertigung und Kalibrierung der Sensormodule vereinfacht. Da der weitere Federkörper des Sensormoduls lediglich die Verformung des die zu messende Kraft oder Last aufnehmenden Federkörpers auf die Sensormittel übertragen muss, ist seine Federsteifigkeit geringer, vorzugsweise um ein Vielfaches geringer, so dass die Sensormodule mit geringeren Kräften oder Lasten kalibriert werden können. Der weitere Federkörper des Sensormoduls kann daher aus einem anderen Material als dem des Last- bzw. Kraftaufnahmemoduls hergestellt sein. Dabei sind isolierende Materialien wie z. B. Kunststoffe oder Keramiken besonders bei kapazitiv arbeitenden Sensormitteln von Vorteil. Um sicher zu stellen, dass das Sensormodul stets an korrekter Stelle in dem Last- bzw. Kraftaufnahmemodul eingebaut wird, weisen die einander gegenüberliegenden Teile des Federkörpers vorzugsweise Ausformungen zur passgenauen Aufnahme des Sen- sormoduls auf.

Vorzugsweise wird das Messsignal bereits in dem Kraftaufnehmer bzw. der Wägezelle soweit aufbereitet, z. B. digitalisiert, dass es sicher leitungsgebunden oder drahtlos an über- geordnete Einrichtungen wie z. B. Automatisierungseinrichtungen, übertragen werden kann. Dazu ist entweder in der Kapsel des Sensormoduls eine Elektronik zur Vorverarbeitung des Messsignals angeordnet, oder die Elektronik ist in einem an dem Sensormodul enthaltendes Elektronikmodul montierbar.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen :

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wägezelle mit einem Federkörper und einem darin eingesetzten Sensormodul, die

Figuren 2 und 3 jeweils ein Beispiel für das Sensormodul und

Figuren 4 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wägezelle.

Figur 1 zeigt eine Wägezelle mit einem Federkörper 1 in Form eines beid-endig gelagerten Doppelbiegebalkens aus Metall, der in der Balkenmitte eine Aussparung 2, hier eine Bohrung, enthält, auf deren Ober- und Unterseite Bereiche mit verringertem Materialquerschnitt vorgesehen sind, die Biegeteile 3 und 4 darstellen. Bei Aufbringen einer Gewichtskraft 5 biegt sich der Federkörper 1 nach unten durch, wobei das obere Biegeteil 3 gestaucht und das untere Biegeteil 4 gestreckt wird und die kreisrunde Bohrung 2 sich zu einem Oval verformt. Ein Sensormodul 6 weist einen weiteren Federkörper 7 auf, der in der Aussparung 2 formschlüssig zwischen den beiden Biegeteilen 3 und 4 eingesetzt ist. Der weitere Federkörper 7 hat hier die Form eines Messbügels, der durch das Aufbringen der Gewichtskraft 5 und die daraus resultierende Verformung der Aussparung (Bohrung) 2 in Richtung der Kraft 5 gestaucht und senkrecht dazu aufgeweitet wird. Im Inneren des weiteren Federkörpers 7 sind auf einem Träger 8 vier Kondensatorplatten 9 angeordnet, die mit den jeweils gegenüberliegenden Innen- Seiten des Messbügels 7 vier Messkapazitäten bilden, die die Verformung des weiteren Federkörpers 7 erfassen und in herkömmlicher Weise zu einer Messbrücke verschaltet sind. Als alternative Sensormittel können beispielsweise Dehnungsmessstreifen auf den Innenseiten des Messbügels 7 aufgebracht sein.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Sensormodul 6, das eine Kapsel für die Sensormittel 9 bildet. Zu diesem Zweck ist der Messbügel 7 an einer Stirnseite mit einer dünnen Wand oder Folie 10 und auf der anderen Stirnseite über ein Elektronikmodul 11 verschlossen, die eine Elektronik 12 zur Vorverarbeitung des von den Sensormitteln 9 gelieferten Messsignals enthält .

Figur 3 zeigt eine Variante des Sensormoduls 6, bei der die Elektronik gemeinsam mit den Sensormitteln 9 im Inneren des Sensormoduls 6 angeordnet ist.

Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Wäge- zelle ist der Federkörper 1 als einseitig belasteter Doppelbiegebalken ausgebildet. Im Bereich des fest montierten einen Balkenendes enthält der Federkörper 1 eine Öffnung 13 zum Einbau des Sensormoduls 6. der weitere Federkörper 7 des Sensormoduls 6 erstreckt sich zwischen den beiden Biegeteilen 3 und 4 des Federkörpers 1 bis zu dessen freiem Ende, wo bei Belastung des Federkörpers 1 ein Mitnehmer 14 den weiteren Federkörper 7 ebenfalls belastet. Der weitere Federkörper 7 des Sensormoduls 6 könnte beispielsweise ebenfalls als Dop- pelbiegebalken ausgebildet sein, enthält aber bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen elastisch gelagerten Hebel 15, an dessen einem Hebelarm 16 der Mitnehmer 14 des Federkörpers 1 anliegt und dessen längerer zweiter Hebelarm 17 im Inneren einer von dem Sensormodul 6 gebildeten Kapsel angeordnet ist. Am Ende des zweiten Hebelarms 17 sind zwei Kondensatorplatten 9 angeordnet, die mit zwei jeweils gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' zwei Messkapazitäten bilden.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wägezelle mit einem dosenförmigen Federkörper 1, in dessen Inneren das hier ebenfalls dosenförmige Sensormodul 6 angeordnet ist. Das Sensormodul 6 weist einen weiteren dosenförmigen Federkörper 7 mit einer Hebelanordnung bestehend aus einer Scheibe oder mehreren, z. B. vier, radial angeordneten zweiarmigen und an jeweils einem Drehpunkt 18 gelagerten Hebeln 19. An dem jeweils kürzeren Hebelarm 20 greift die über den Federkörper 1 in den weiteren Federkörper 7 eingeleitete Kraft 5 an, wäh- rend am Ende des längeren Hebelarms 21 zwei Kondensatorplatten 9 angeordnet sind, die mit zwei jeweils gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' zwei Messkapazitäten bilden .

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 unterscheidet sich von dem nach Figur 5 durch eine andere Version des Sensormoduls 6, dessen dosenförmigen Federkörper 7 an der Innenseite des druckaufnehmenden Deckels 22 und an einer in vorgegebenem festen Abstand zum Deckel 22 an diesem gehaltenen Scheibe 23 (oder an Armen) Kondensatorplatten 9 angeordnet sind, die mit zwei jeweils zwischen dem Deckel 22 und der Scheibe 23 angeordneten gegenüberliegenden feststehenden Kondensatorplatten 9' Messkapazitäten bilden. Die Kondensatorplatten 9 und 9' können z. B. in Form von Ringscheiben ausgebildet sein, wel- che gegebenenfalls zur Vergrößerung der Anzahl der Messkapazitäten segmentiert sein können. Figur 7 zeigt ebenfalls eine Wägezelle mit einem dosenförmi- gen Federkörper 1. Hier wird aber das Sensormodul 6 aus Figur 1 verwendet, das zwischen dem die Last 5 aufnehmenden Deckel 24 und einem Tragring 25 im Inneren des dosenförmigen Federkörpers 1 angeordnet ist. Alternativ kann das Sensormodul 6 auf dem Boden 26 des dosenförmigen Federkörpers 1 montiert sein.

Figur 8 zeigt eine weitere Wägezelle mit dosenförmigem Feder- körper 1, in dem das Sensormodul 6 aus Figur 4 verwendet wird, wobei ein Kraftübertragungselement 27 die Auslenkung des Deckels 24 unter der Last 5 auf den Hebelarm 16 des Sensormoduls 6 überträgt.